南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组在光与人工微结构相互作用研究中取得重要进展，创新性地利用人工超构表面实现了多种偏振态任意组合的同步调控，给出了多路径多种偏振态同步调控的一般性原理，可望推动量子编码和量子信息的集成化进程。该研究成果"Simultaneous Generation of Arbitrary Assembly of Polarization States with Geometrical-Scaling-Induced Phase Modulation"近日发表于美国物理学会期刊Physical Review X。该文章的链接是：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031035
偏振是光的重要特性，理解和控制光的偏振态无论在人们的日常生活还是高科技领域都有着重要意义和应用。但是用传统方法调控光的偏振态往往存在一些局限，例如工作频段比较窄、光偏振转换效率低，等等。近年来，王牧教授和彭茹雯教授研究组通过揭示金属和介电人工微纳结构与光的相互作用规律，发现了若干基于人工微纳结构的有效调控光偏振态的方法。例如，利用金属和介质人工微纳结构实现宽频无色散的人工波片,给出金属-介质-金属型超构材料宽带调控光偏振态的一般性原理【Physical Review X 4, 021026(2014)】；又如，利用金属微结构中多波干涉效应实现自由高效宽带调控偏振转换【Advanced Materials 27,1201 (2015)；Advanced Materials 32,1904646 (2019)】；新近还利用相变材料将光偏振态的操控从被动调控推进到主动动态控制，等等。这些结果展示了人工微纳结构对光偏振态的独特调控优势，相关结果可应用于光电子学、信息和通讯技术、生物和化学检测等多个领域。最近，该研究组又展示了光偏振态调控在量子信息学中的应用前景。
量子编码与量子通信是现代量子信息学的重要组成部分。利用光子偏振态进行编码是保证通讯安全的常用手段之一，执行与偏振相关的通信协议需要选用若干种光的偏振态进行信息的编码、处理、传输和解码。例如，著名的BB84编码方式使用六种光子偏振态（左旋圆偏振、右旋圆偏振、水平/竖直/45°/-45°线偏振）中的任意四种进行编码。因此，同时输出不同种类偏振态是用光来实现量子编码的基本需求。而传统技术产生不同种类光子偏振态需要多个棱镜分束器和波片等光学元件，存在体积大、重量大等局限，不能满足未来全光信息处理芯片的小型化和集成化需求。超构表面是实现光集成和轻量化的有效途径，但是，尽管基于人工微结构的超构表面可以方便有效地调控电磁波的偏振态、振幅、相位和传播方向，此前尚无报道利用同一超构表面给出任意组合偏振态的同步输出。
最近，该研究组提出了基于几何标度相位（Geometrical-Scaling-Induced Phase）的超构表面的设计理念，首次利用单一的超构表面实现了多路径多种偏振态(圆偏振/线偏振)任意组合的同步输出（图一）。该设计方案克服了著名的Pancharatnam-Berry相位型超构表面无法同时产生不同种类的偏振光（例如同时输出圆偏振和线偏振）的瓶颈，通过改变元胞中结构单元的几何标度与排列方式，成功实现了多路径多偏振态任意组合的同步输出。在此基础上，实验实现了信息的编码与解码过程（图二），该编码与解码过程与量子通信中基于通信协议利用光子的偏振态进行的密钥分发过程是一致的。该类超构表面有望为集成光学、量子信息的编码和传输提供集成度高、重量轻、效率高的光学器件原型。
此项工作主要由南京大学物理学院2016级博士生高雅君完成，她在超构表面的设计、微加工制备、光学表征、信息编码与解码等方面都做出重要贡献，熊翔副教授、王政翰博士和陈飞副研究员也参与了该工作，王牧教授和彭茹雯教授是该论文的通讯作者。该项研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。
图一 多路径多偏振态同步输出的超构表面的示意图。 图二 利用超构表面产生的多偏振态实现信息编码和解码。